硫酸鹽侵蝕下不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土力學(xué)性能研究

李娟，張述雄，張海嬌，王棟民

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

硫酸鹽侵蝕下不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土力學(xué)性能研究

李娟，張述雄，張海嬌，王棟民

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

本文研究制備了強(qiáng)度等級(jí)為 C20、C30、C40、C50 以及 C60 的混凝土試件，通過干濕循環(huán)—硫酸鹽浸泡耦合加速硫酸鹽侵蝕速率，測(cè)試各個(gè)試件抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。結(jié)果表明：通過干濕循環(huán)，各強(qiáng)度等級(jí)試件在 30d 內(nèi)強(qiáng)度比同齡期清水養(yǎng)護(hù)試件提高 4%～10%，30d 以后，隨著齡期的增加，強(qiáng)度開始降低，至 120d 時(shí) C20、C30、C40 分別下降 16.3%、23.1% 和18.9%， C50 和 C60 下降 7% 左右，強(qiáng)度等級(jí)越高，混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能越好。

干濕循環(huán)；硫酸鹽；耦合；抗壓強(qiáng)度

0　前言

混凝土長(zhǎng)期處于硫酸鹽環(huán)境下，硫酸根離子會(huì)由外界滲入混凝土內(nèi)部，混凝土某些成分與硫酸根硫離子發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，從而引起混凝土表面剝落、膨脹、開裂、質(zhì)量損失以及強(qiáng)度降低等現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土耐久性不足[1，2]。這是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，主要受兩方面因素的影響：一是材料因素，包括混凝土的水灰比、孔隙率、水泥品種等；二是環(huán)境因素，包括溶液中陽離子類型、硫酸根的濃度、干濕循環(huán)以及凍融循環(huán)等。處于沿海地區(qū)、酸雨地區(qū)以及鹽漬土環(huán)境中的混凝土受硫酸鹽侵蝕尤為嚴(yán)重，既受可溶性鹽對(duì)混凝土產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，又可能受到干濕交替、凍融循環(huán)等環(huán)境條件的加速破壞作用。干濕循環(huán)加快了有害介質(zhì)向混凝土內(nèi)部侵蝕的速率，是導(dǎo)致混凝土性能結(jié)構(gòu)衰退最為嚴(yán)酷的環(huán)境條件之一，因而干濕循環(huán)環(huán)境下混凝土性能的變化也是目前的研究熱點(diǎn)[3-7]。本論文基于干濕循環(huán)—硫酸鹽侵蝕耦合下 C20 至C60 混凝土在 0d、30d、45d、60d、90d 及 120d 抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，探討混凝土在硫酸鹽環(huán)境下性能劣化的影響因素。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1原料

水泥：基準(zhǔn)水泥（北京水泥廠），其化學(xué)成分見表 1；細(xì)骨料為人工砂；粗骨料采用連續(xù)級(jí)配碎石；減水劑為西卡聚羧酸減水劑。粉煤灰（Fly ash，F(xiàn)A）和礦渣（Blast Furnace Slag，BFS）是由山西某公司提供，其化學(xué)成分見表 2 和表3。

表1　基準(zhǔn)水泥的化學(xué)成分分析 %

表2　粉煤灰的化學(xué)成分分析 %

表3　礦渣的化學(xué)成分分析 %

1.2實(shí)驗(yàn)方法

按配合比做成 100mm×100mm×100mm 的立方體混凝土試塊用于抗壓強(qiáng)度測(cè)試，C20～C60 混凝土配合比見表 2。試件成型標(biāo)養(yǎng) 24h 后脫模，然后所有試塊恒溫濕養(yǎng)護(hù) 28d后，一部分繼續(xù)留在清水中恒溫濕養(yǎng)護(hù)，另一部分浸泡于硫酸鈉溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)侵蝕試驗(yàn)，侵蝕溶液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5% 的硫酸鈉溶液。干濕循環(huán)采用全自動(dòng)混凝土硫酸鹽干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)箱，程序設(shè)定為：浸泡時(shí)間 16h，溶液排空 0.5h，晾干時(shí)間 0.5h，烘干時(shí)間 6h，冷卻時(shí)間 1h，24h 為一個(gè)循環(huán)。通過 0 次、30 次、60 次、90 次、120 次循環(huán)后測(cè)試試件抗壓強(qiáng)度。

表4　各等級(jí)強(qiáng)度混凝土配合比 kg/m3

1.3評(píng)價(jià)指標(biāo)

用強(qiáng)度變化率來衡量試件抗硫酸鹽腐蝕性能，其定義如下：

其中：

K1—— 試件液浸泡試件抗壓強(qiáng)度與其標(biāo)養(yǎng) 28d 抗壓強(qiáng)度之比；

K2—— 試件液浸泡試件抗壓強(qiáng)度與同齡期清水養(yǎng)護(hù)試件抗壓強(qiáng)度之比；

FR，i——試件在侵蝕液中養(yǎng)護(hù)至 i 齡期的抗壓強(qiáng)度，MPa；

FQ，i——試件在清水中養(yǎng)護(hù)至 i 齡期的抗壓強(qiáng)度，MPa；

F28—— 試件養(yǎng)護(hù)至 28d 齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度，MPa；

2　結(jié)果與分析

2.1抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

圖 1 至圖 5 分別為恒溫濕養(yǎng)護(hù)試件和干濕循環(huán)侵蝕試件的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。綜合各圖可知，30d 以內(nèi)，干濕循環(huán)—硫酸鹽浸泡試件強(qiáng)度有所提高，綜合各圖可知，30d 以后，各試件在清水中浸泡的強(qiáng)度均高于同循環(huán)周期經(jīng)過干濕循環(huán)的試件，并且伴隨干濕循環(huán)周期的增加，強(qiáng)度差異越明顯，表明試件劣化的程度隨著干濕循環(huán)周期的增長(zhǎng)而加深。但隨著強(qiáng)度等級(jí)的增加，同齡期清水養(yǎng)護(hù)和干濕循環(huán)試件強(qiáng)度差異逐漸降低，這表示強(qiáng)度等級(jí)高的混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能較好，強(qiáng)度低的混凝土隨著侵蝕齡期的增長(zhǎng)，劣化速率加快。

圖1　清水養(yǎng)護(hù)和干濕循環(huán)對(duì) C20 混凝土強(qiáng)度的影響

圖2　清水養(yǎng)護(hù)和干濕循環(huán)對(duì) C30 混凝土強(qiáng)度的影響

圖3　清水養(yǎng)護(hù)和干濕循環(huán)對(duì) C40 混凝土強(qiáng)度的影響

圖4　清水養(yǎng)護(hù)和干濕循環(huán)對(duì) C50 混凝土強(qiáng)度的影響

圖5　清水養(yǎng)護(hù)和干濕循環(huán)對(duì) C60 混凝土強(qiáng)度的影響

圖 6、7 分別為清水養(yǎng)護(hù)試件和干濕循環(huán)試件強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律。圖 6 表明，各試件強(qiáng)度在清水中穩(wěn)定上升，在60d 后強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，相比于標(biāo)養(yǎng) 28d 強(qiáng)度均有所提高。圖 7表明，各強(qiáng)度等級(jí)試件經(jīng)歷干濕循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相近，在 30d 以內(nèi)，經(jīng)歷一定循環(huán)后，到達(dá)各自強(qiáng)度的最高值，這是由于硫酸根離子與試件內(nèi)部產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)而起到密實(shí)填充作用，所以強(qiáng)度提高。30d 以外，強(qiáng)度開始下降，但強(qiáng)度等級(jí)低的混凝土下降速率要大于等級(jí)高的混凝土，這也說明強(qiáng)度等級(jí)越低，試件抗硫酸鹽侵蝕能力差。從不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土配合比可知，混凝土從 C20 至 C60，水灰比由58% 下降至 31%，強(qiáng)度等級(jí)越低的混凝土水膠比就越大，混凝土硬化后孔隙率越高，孔隙聯(lián)通的幾率越大，有害離子如硫酸根侵入內(nèi)部阻力越小，因而侵蝕更容易。

圖6　清水養(yǎng)護(hù)對(duì) C20～C60 混凝土強(qiáng)度的影響

圖7　干濕循環(huán)對(duì) C20～C60 混凝土強(qiáng)度的影響

2.2K值分析

圖8　K1隨齡期的變化關(guān)系

圖9　K2隨齡期的變化關(guān)系

圖 8、9 分別為 K1、K2隨齡期的變化關(guān)系。由圖 8 可以看出，各試件強(qiáng)度在腐蝕初期強(qiáng)度均有所上升，30d 內(nèi)上升最快，部分試件強(qiáng)度繼續(xù)增加至 60d。但在 60d 以后，C20、 C30 及 C40 試件迅速下降，C20 及 C30 下降尤為顯著，而C50、C60 試件強(qiáng)度不但沒有損失反而緩慢增長(zhǎng)。對(duì)比圖 8、圖 9 可知，在腐蝕 30d 以內(nèi)，各個(gè)試件強(qiáng)度不論是相比于標(biāo)養(yǎng) 28d 強(qiáng)度（K1）還是同齡期清水養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度（K2）均有所上升，在 30d 以后，腐蝕試件相比于清水養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度迅速下降，隨著齡期的增長(zhǎng)，強(qiáng)度 C40 及以下試件下降趨勢(shì)比C50 及 C60 更明顯。這表明水灰比是影響混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的重要因素之一，水灰比越大，則混凝土有較高的孔隙率，有害離子侵入混凝土內(nèi)部越容易，試件受到侵蝕的可能性也越大。結(jié)果還證實(shí)了硫酸鹽侵蝕下混凝土損傷過程包括密實(shí)填充和膨脹劣化兩個(gè)階段，腐蝕前期硫酸鹽由外部擴(kuò)散到混凝土內(nèi)部與水化產(chǎn)物反應(yīng)生成鈣礬石和石膏，填充孔隙過程中混凝土得到了一定程度的密實(shí)，因而有利于強(qiáng)度增長(zhǎng)；之后生l成的產(chǎn)物生長(zhǎng)空間受阻，當(dāng)其膨脹應(yīng)力達(dá)到混凝土極限應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致混凝土劣化。

3　結(jié)論

（1）在干濕交替—硫酸鹽耦合作用下，60d 以內(nèi)各試件強(qiáng)度有所提高，相比于標(biāo)養(yǎng) 28d 強(qiáng)度基本無損失；在 60d 后強(qiáng)度開始下降，C40 及其以下，強(qiáng)度等級(jí)越低，下降趨勢(shì)越明顯，C50 及 C60 混凝土強(qiáng)度基本維持穩(wěn)定。

（2）相比于同齡期清水浸泡試件，干濕交替—硫酸鹽耦合浸泡試件在 30d 內(nèi)強(qiáng)度提高 4%～10%。30d 以后開始明顯下降，齡期至 120d 時(shí)，C20、C30、C40 分別下降 16.3%、23.1% 和 18.9%， C50 和 C60 下降 7% 左右。

（3）隨著混凝土試件強(qiáng)度等級(jí)的提高，水膠比逐漸降低，孔隙率減小，其抗硫酸鹽侵蝕性能增強(qiáng)。

（4）硫酸鹽侵蝕下混凝土損傷過程包括密實(shí)填充和膨脹劣化兩個(gè)階段，前一階段有利于混凝土強(qiáng)度發(fā)展，后一階段導(dǎo)致混凝土劣化損傷。

[1] 杜健民，梁詠寧，張風(fēng)杰．地下混凝土結(jié)構(gòu)硫酸鹽腐蝕機(jī)理及性能退化[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2011：1-3．

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［通訊地址］北京市海淀區(qū)學(xué)院路丁 11 號(hào)寶源公寓 B（100083）

Study on mechanical properties of different strength grade concrete under sulfate attack

Li Juan, Zhang Shuxiong, Zhang Haijiao, Wang Dongmin
(China University of Mining &Technology, Beijing 100083)

The concrete samples were prepared from C20 to C60, drying-wetting cycle was used to accelerate the rate of sulfate attack, compressive strength of each sample was tested. The results showed that, compared to the same age of water curing specimens, the strength of the drying-wetting cycle specimens increased 4%～10% within 30 days. After 30 days, with the age increased, strength began to decrease. In 120 days, C20 decreased 16.3%, C30 decreased 23.1% and C40 decreased 18.9%, C50 and C60 decreased about 7%. The higher strength grade of concrete is, the better the performance of concrete in sulphate erosion.

dry wet cycle; sulfate; coupling; compressive strength

李娟（1990-），女，碩士生，研究方向：聚羧酸減水劑及水泥基材料。